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基于磁热效应的磁制冷技术因其绿色环保、高效节能等优点而备受关注,具有广阔的应用前景。为促进磁制冷技术的广泛应用,探索具有优秀磁热性能的磁制冷材料具有重要的意义。本文研究了具有Ni2In型结构的RCuSi和CrB型结构的RGa化合物的磁性和磁热效应,分析了材料在不同类型相变附近的巨磁熵变的产生机理,得到的主要结果有:
1)RCuSi(R=Gd,Tb,Dy,Ho,Er)化合物均为低温反铁磁体,在外加磁场的诱导下发生反铁磁(AFM)到铁磁(FM)的变磁转变。除TbCuSi外,所有样品均具有良好的磁、热可逆性。HoCuSi在相变温度附近呈现出可逆的巨磁热效应,在0-5 T磁场变化下,最大磁熵变高达33.1 J/kg K。HoCuSi化合物中的巨磁热效应主要来源于奈尔温度(TN)以下的AFM-FM变磁转变和TN附近由晶格体积变化导致的磁化强度的急剧变化。
2)研究了铁磁性的RGa(R=Pr,Nd,Gd,Tb,Dy,Ho,Er)化合物的磁相变和磁热效应。发现R=Nd,Gd,Tb,Ho,Er的样品具有自旋重取向(SR)和铁磁(FM)到顺磁(PM)的两个连续的磁相变以及由两个磁相变导致的磁熵变峰。GdGa在两个相变之间呈现温跨高达120 K的磁熵变平台。ErGa表现出非常显著的磁热效应,在0-5 T磁场变化下,由SR转变和FM-PM相变导致的最大磁熵变分别为16.5和21.3 J/kg K。此外,ErGa还具有突出的磁制冷能力(RC),在0-5 T磁场变化下,其RC值达到494 J/kg。
3)发现少量Gd替代ErGa中的部分Er后,化合物在SR转变和FM-PM相变附近的磁熵变峰值均明显减小。另外,随Gd含量的增多,化合物的居里温度显著升高,而自旋重取向转变温度的增幅相对较小,SR转变和FM-PM相变之间的温度区域明显拓宽,化合物的RC值显著增大。
4)当R=Pr,Dy时,RGa化合物只具有FM-PM的单一磁相变。在0-5 T磁场变化下,PrGa和DyGa在相变附近的最大磁熵变分别为9.5和7.2 J/kg K。PrGa在居里温度(Tc)附近具有明显的晶格膨胀,磁电阻最高达35％,在居里温度以上发生磁场诱导的PM-FM变磁转变行为,磁熵变峰随磁场增加向高温区不对称展宽。